纤维素酶/天冬氨酸体系改善混合办公废纸强度性能的研究

王金然 万金泉，，* 赵汝和 闫志成 马邕文

（1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640；2.广东省植物纤维高值化清洁利用工程技术研究中心，广东广州，510640；3.Tri-Y Environmental Research Institute，Vancouver，B.C.，Canada V5M 4P7）

办公废纸是造纸行业低成本、高质量纤维的重要来源，约占总废纸原料的30%以上。这类废纸由于木素含量低、纤维强度较好，可以用来抄造经济价值较高的纸种。正是因为这类废纸木素含量低，使得目前常用的纤维改性技术效果不佳，导致办公废纸纤维回用抄纸时存在纤维间结合能力差、成纸强度低、滤水性能不佳等缺点。此外，混合办公废纸难脱墨而导致纸浆得率低，大大降低办公废纸的回收率，降低了成纸产品的品质，限制了其使用范围[1]。因此，为了使办公废纸能够更好地被利用，有必要研究适用于办公废纸的改性技术。

纤维素酶是一种具有β,1-4 糖苷键的生物酶，其在制浆造纸工业中的应用研究一直都是热点，利用纤维素酶改性再生纤维的研究也在不断增加[2]。纤维素酶处理纸浆可以降低打浆能耗、改善浆料滤水性能、改善纤维柔韧性以及改善成纸的强度性能[3-4]。黄金峰等人[5]利用纤维素酶对废纸箱纤维进行改性研究，发现在酶用量为0.05% 时，环压指数与抗张指数最大，分别为7.4 N·m/g 和30.1 N·m/g，分别比未经酶处理的空白浆增加25.4% 和22.4%。随着酶用量的增加，纸张强度先增加后下降，表明纤维素酶用量是影响成纸强度的重要因素[6]。张素风等人[7]利用纤维素酶对旧书刊纸进行脱墨处理，研究发现，当酶用量3%时，打浆度下降，纸浆滤水性能得到提高，手抄片抗张指数与耐破指数分别提高3.9%和5.6%。

单一生物酶改性废纸浆效果有限，氨基酸作为一种具有氨基和羧基的有机化合物近年来在废纸回用过程中崭露头角。万金泉等人[8]采用漆酶/组氨酸系统对OCC 纸浆进行改性研究，与未处理样相比，改性后纤维保水值提升40%，环压指数、抗张指数和耐破指数分别增加14.9%、10.7%和16.4%。与不加组氨酸的处理样相比均有一定程度的提升。孔凡娇等人[9]研究了改性漆酶/谷氨酸体系对旧瓦楞纸物理性能的影响。在改性漆酶/谷氨酸最佳反应条件下，与未改性相比，成纸环压指数与抗张指数分别提高16%和20.7%。这表明生物酶与氨基酸联用能够更好地改性废纸纤维，提升纤维品质。

对于低木素含量的办公废纸而言，漆酶-氨基酸体系对其作用效果不明显，且漆酶不稳定，通常需要进行改性来处理纸浆，步骤繁琐，成本较高，对低木素含量废纸实用性不高。天冬氨酸含有两个羧基，相较于组氨酸等可以引入更多的羧基从而更容易促进纤维吸水润胀。另外组氨酸、谷氨酸价格较贵，天冬氨酸价格低廉且具有良好的分散特性，并可以很好地提高纤维的连接力，与纤维素酶具有高度协同作用，在活化的纤维表面可以引入较多羧基，增强纤维之间结合力从而提升成纸强度。

本研究采用纤维素酶/天冬氨酸处理办公废纸浆，运用响应曲面法优化酶处理工艺条件，探讨纤维素酶用量、天冬氨酸用量、反应温度和反应时间对处理后成纸强度性能的改善，分析纤维素酶/天冬氨酸体系对纤维保水值、羧基含量和结晶度的影响。

1 实 验

1.1 实验原料与药品

混合办公废纸（MOW），华南理工大学轻工学院；纤维素酶（酶活15000 U/g），碳酸氢钠、氯化钠，均为分析纯，广州市从原科技有限公司；天冬氨酸，南京信捷汇生物科技有限公司；磷酸氢二钠、柠檬酸，均为分析纯，盐酸（质量分数36%），国药集团化学有限公司。

1.2 设备和仪器

碎浆机（N-100V/T，中国）；数显恒温水浴锅（HH-4，中国）；恒速电动搅拌机（JB90-SH，中国）；台式低速离心机（TD-5Z，中国）；手动抄纸系统成型器（MESSMER 255，美国）；抗张强度仪（L&W CE062，瑞典）；耐破度仪（L&W CE180，瑞典）；傅里叶变换红外光谱仪（Bruker Vector 33，德国）；顶空气相色谱仪（Agilent7890，美国）。

1.3 实验方法

1.3.1 混合办公废纸的处理

将MOW 用手撕成合适尺寸的小片，室温下将其浸泡在水中24 h，将泡好的废纸加水配成10%的浆浓，在50°C、300 r/min的碎浆机中碎浆25 min。碎浆完成后用浆袋过滤收集浆料备用。

1.3.2 纤维素酶/天冬氨酸处理MOW浆

称取30 g 绝干浆加水配成8%的浆浓，用磷酸氢二钠-柠檬酸（Na2HPO4/C6H8O7）缓冲溶液调节pH 值为7，启动搅拌机（300 r/min）搅拌，同时添加纤维素酶和天冬氨酸开始改性，反应结束后在沸水浴中灭活5 min。利用Design Expert 设计4 因素3 水平实验确定纤维素酶用量、天冬氨酸用量、反应时间和反应温度的最佳组合水平（共有27组实验）。空白样直接采用碎解后的浆料。

1.4 抄纸及性能检测

利用手动抄纸系统成型器抄造定量60 g/m2的手抄片，然后在105°C 下干燥10 min。将手抄片在恒温恒湿实验室（温度（23±1）°C、相对湿度(50±2)%）放置12 h 后，分别按照国家标准GB/T 12914－2008、GB/T 454－2002测定纸张的抗张强度和耐破度。

1.5 纤维保水值的测定

纤维保水值（WRV）采用离心法测定，称取绝干质量1.5 g 的浆料在3000 r/min 下离心处理15 min。称量离心后浆料的湿质量m1和干燥后的绝干质量m2，两者之差与绝干质量的比值即为WRV，按式(1)计算。

1.6 傅里叶红外光谱（FT-IR）分析

采用红外光谱仪在400～4000 cm-1波数范围内测定纸浆纤维的结晶结构。波数1372 cm-1和2900 cm-1处的强度比值即为纤维的结晶度指数，计算见式(2)。

1.7 羧基含量的测定

采用顶空气相色谱仪进行羧基含量的测定。测定前，将MOW 浆在室温下用0.1 mol/L 的盐酸处理1 h，以使纤维中的羧酸盐转化成羧酸形式。具体操作条件及校正实验参照参考文献[10-11]中的方法进行。操作条件为:平衡温度60°C，平衡时间20 min，色谱柱温度45°C，检测时间4 min。羧基含量按式(3)计算。

式中，f 为校正系数，由校正实验测得；m 为绝干浆质量；AT为色谱仪测得的CO2信号峰面积；Aair为顶空瓶的CO2信号峰面积。

2 结果与讨论

2.1 回归模型分析

在单因素实验基础上，利用Design Expert 软件对纤维素酶用量（10～20 U/g）、天冬氨酸用量（1%～3%）、温度（40～60℃）、时间（50～70 min）和抗张指数构成的数据表进行多元回归拟合[4]，从而得到抗张指数（Tensile index）对4 种因素的二次多项回归模型，见式(4)。

式中，A、B、C、D 分别表示纤维素酶用量、天冬氨酸用量、反应温度和反应时间。再对此模型进行方差分析，如表1所示。

由表1 可知，F 值（效应项与误差项比值）为10.07，F 值越大表示处理效果越明显。失拟性为0.0001＜0.05，表示模型显著；且模型调整确定系数为0.9031，表示模型拟合程度好，能够解释90%以上的响应值。因此，用此模型可以对纤维素酶/天冬氨酸体系处理MOW的强度性能进行分析。

表1 回归模型方差分析表

2.2 纤维素酶与天冬氨酸交互作用的影响

图1 纤维素酶与天冬氨酸交互作用对纸张抗张强度影响的响应曲面图

2.3 天冬氨酸与反应温度和反应时间交互作用的影响

图2 天冬氨酸与反应温度和反应时间交互作用对纸张抗张强度影响的响应曲面图

图2 为天冬氨酸与反应温度和反应时间交互作用对纸张抗张强度的响应曲面图。由图2可知，在纤维素酶用量与反应温度和反应时间（14.74 U/g、49°C、56 min）一定的情况下，加入天冬氨酸可以增加纸张的抗张强度，这是因为天冬氨酸的加入可以增加纤维中羧基含量，羧基的增加可以提高废纸纤维的润胀性能，提升纤维之间的结合能力，因此改善了纸张强度性能[12]。当天冬氨酸用量为2.19%时，再继续添加天冬氨酸，对纸张抗张强度提升不明显且有下降趋势，可能是由于羧基含量增加过多会导致纤维表面负电荷增加，使纤维之间结合力下降而造成抗张强度下降，表明2.19%为天冬氨酸最佳用量。

2.4 纤维素酶与反应温度和反应时间交互作用的影响

氨酸有同样规律，故可得出纤维素酶/天冬氨酸系统处理MOW 的适宜反应温度和反应时间分别为49℃和56 min。

2.5 最优处理条件

本次酶改性共设置有27 组实验，通过实验数据分析及Design Expert 软件给出的结果得出纤维素酶/天冬氨酸处理MOW 的最优工艺条件为:纤维素酶用量14.74 U/g、天冬氨酸用量2.19%、反应温度49℃、反应时间56 min。在最优条件下的处理样与未处理的空白样的纸张性能对比如表2所示。

由表2 可知，与空白样相比，纤维素酶和天冬氨酸单独处理MOW 均可以提高纸张强度性能，但提高幅度不大。将纤维素酶与天冬氨酸协同处理MOW，在最优处理条件下，纸张的抗张指数与耐破指数分别较空白样提高16.05%和14.39%，效果明显好于二者单独处理样，这表明纤维素酶与天冬氨酸具有协同效应。

表2 最优条件处理样与空白样的纸张性能对比

图3 纤维素酶与反应温度和反应时间交互作用对抗张强度影响的响应曲面图

2.6 纤维保水值的分析

纤维细胞壁上存在大量的细胞壁孔，纤维在回用过程中，由于干燥会使细胞壁孔发生塌陷进而造成孔的不可逆关闭，使得水分子不能很好地与纤维接触使其润胀，造成纤维的保水值下降。保水值是表征纤维润胀能力的重要属性，它可以直接反应纤维的润胀性能并且能够促进纤维之间结合力的提升，对纸张强度性能具有重要影响。不同处理条件下的纤维保水值如图4所示。

图4 不同处理条件下的纤维保水值

由图4 可知，与空白样相比，纤维素酶和天冬氨酸处理样的纤维保水值均有提高，且最优条件处理样的纤维保水值具有最大值（150%），比空白样提高了36 个百分点。这是因为在纤维素酶作用下，纤维素晶体结构部分断裂，增加了纤维的细纤维化，而天冬氨酸又在纤维表面引入羧基，增加了废纸浆的羧基含量，使得纤维的润胀性能得到提升，表现为纤维保水值增加。纤维的润胀又使得纤维细纤维化程度进一步提高，从而增加纤维的比表面积并促进纤维间氢键的结合，因此有助于成纸强度性能的提升。这也充分证明纤维素酶与天冬氨酸协同处理可以更好地提升纸张的强度性能。

2.7 纸浆改性前后的结晶度分析

废纸在回用过程中由于纤维间大的键力作用会在细胞壁中形成一个更大的结晶区，使得纤维结晶度增大，从而纤维润胀性能下降，纤维变脆，成纸强度下降。图5 为不同处理条件下纸浆的FT-IR 图；表3 为不同处理条件下纸浆纤维的结晶度指数。

图5 不同处理条件下纸浆的FT-IR图

表3 不同处理条件下纸浆纤维的结晶度指数

由图5 可以看出，与未处理的空白样相比，3 种处理后的浆样FT-IR 图形并无明显差异，但峰的强度不同。天冬氨酸处理样和最优条件处理样均在1744 cm-1出现－COOH 特征峰，表明天冬氨酸接枝到纤维上，增加了纤维羧基含量。由表3可知，与空白样相比，纤维素酶与天冬氨酸单独处理样的纤维结晶度指数分别下降20.65%和12.26%，而最优条件处理样的纤维结晶度指数最低，比空白样下降37.58%。这表明纤维素酶与天冬氨酸处理均能显著改善纤维的结晶结构，且在最优条件下的两者协同处理，对纤维的结晶结构有较好的改善，从而更好地提升纤维性能。

2.8 纸浆改性前后羧基含量分析

羧基是纸浆中重要的阴离子基团，羧基含量的增加有助于提升纤维的润胀性能从而使纤维结合面积增加，有助于提升纤维的成纸强度[13]。不同处理条件下的纤维羧基含量如图6所示。

由图6 可知，与空白样相比，天冬氨酸和纤维素酶单独处理样的羧基含量分别增加11.57% 和17.00%，而在纤维素酶协同天冬氨酸处理下，即最优条件处理样的纤维羧基含量增加32.84%。这表明在纤维素酶作用下，纤维中出现更多活性位点，使得天冬氨酸在纤维上引入更多羧基，从而使纤维润胀性能增加明显，有助于纸张强度的提升。

图6 不同处理条件下的纤维羧基含量

3 结 论

本研究采用纤维素酶/天冬氨酸处理混合办公废纸（MOW），运用响应曲面法优化工艺条件，探讨纤维素酶/天冬氨酸体系处理后纸张的强度性能。

3.1 纤维素酶/天冬氨酸体系处理MOW 的优化工艺条件为:纤维素酶用量14.74 U/g，天冬氨酸用量2.19%（相对绝干浆），反应温度49°C，反应时间56 min。

3.2 与空白样相比，MOW 在纤维素酶/天冬氨酸体系最优条件下处理后，纤维保水值提高36 个百分点，纤维结晶度下降37.58%，羧基含量提高32.84%；纸张抗张指数提高16.05%，耐破指数提高14.39%。

3.3 纤维素酶/天冬氨酸体系处理MOW 比纤维素酶和天冬氨酸单独处理对纸张强度性能提升的幅度更高，这表明纤维素酶与天冬氨酸具有协同效应。